【摘要】 基于重整化t-J模型与自洽平均场理论，深入解析铜超导体中热导率随能量和掺杂浓度的演化规律，揭示赝隙态对特征峰及残余热导的影响机制，实验数据与理论预测高度吻合。

【铜超导体热导率与掺杂浓度的关联机制研究】

近年来，铜氧化物超导体的热输运特性研究取得重要进展。基于Anderson提出的共振价键理论框架，科研团队通过改进重整化t-J模型，成功构建了包含Gutzwiller因子的自洽平均场理论体系。该理论有效解决了传统方法难以处理的强关联电子体系约束问题，为揭示热导率的能量与掺杂依赖性提供了关键理论支撑。

 

【理论模型与实验验证】

不同掺杂浓度下铜超导体热导率能量依赖性曲线图

图1 标准化导热系数随掺杂浓度的能量函数

图1清晰展示了δ=0.05至δ=0.35五个典型掺杂状态的热导率变化趋势。实验数据显示：在低能区（<50meV）热导率随能量线性增长，在特征能量峰（黑色箭头标注）达到最大值后快速衰减。值得注意的是，欠掺杂体系（δ=0.05）的特征峰位置较过掺杂体系（δ=0.35）向高能区偏移约40%，这与赝隙能Δ₀的演化规律呈现显著正相关。

 

【掺杂依赖性的定量分析】

通过构建归一化残余热导率κ₀(δ)/κ₀(δ_max)的定量模型（图2），研究发现：过掺杂区域（δ>0.23）的κ₀值随浓度降低呈指数衰减，最佳掺杂区（δ=0.15）降幅趋缓至5%以内，而欠掺杂区（δ<0.12）则呈现明显的赝隙态抑制效应。该趋势与ARPES实验测量的费米速度v_F变化高度一致，证实准粒子法向速度v₂与切向速度v_F的比值是决定热导率的关键微观参数。

铜超导体残余热导率随掺杂浓度变化曲线

 

【机制解析与工程应用】

研究团队特别指出，重整化t-J模型中引入的双Gutzwiller因子(g₁,g₃)成功实现了以下突破：

1.准确描述赝隙态对低能准粒子激发的筛选效应

2.定量预测特征峰能量位置随掺杂的迁移规律

3.揭示过掺杂区电子-声子耦合增强的微观机制

这些发现为优化高温超导材料的热管理性能提供了理论指导，特别是在超导磁体、量子计算器件等需要精确控温的工程领域具有重要应用价值。

 

【结论与展望】

本工作通过发展包含动态库仑修正的自洽平均场理论，系统阐明了铜超导体热导率的双重依赖性机制。未来研究将聚焦于：

  • 压力调控对赝隙态-超导态竞争关系的影响
  • 各向异性热输运与d波配对对称性的关联
  • 界面效应对纳米尺度超导器件热传导的调制作用
    相关成果已发表于《Modern Physics Letters B》期刊（DOI:10.1142/S0217984917503447），为强关联体系热输运研究开辟了新方向。

 

参考文献：1.Ma, C.;  Qi, R.;  Yuan, F.;  Chen, S.; Zhao, H., Doping and energy dependences of thermal conductivity in cuprate superconductors. Mod. Phys. Lett. B 2017, 31 （27）, 1750344.

 

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